中國儲能網訊：水系鋅金屬電池具有安全性好、成本低廉、清潔環(huán)保等優(yōu)勢，是一類具有應用潛力的電化學儲能技術。目前已報道的水系鋅金屬電池一般采用嵌入式正極材料，但受限于正極材料對主體框架結構的高度依賴，電池能量密度偏低，限制了其實際應用。
與嵌入機制不同，基于轉換反應機制的正極則有望大幅提高電池能量密度。近日，華中科技大學電氣與電子工程學院蔣凱教授和王康麗教授團隊提出了一種基于硫-碳納米管復合材料轉換式正極的低成本高能量密度水系鋅金屬電池。研究表明，水溶液的pH值對硫電極的可逆容量、極化電位、循環(huán)性能均有很大影響。在近中性的鋅基水溶液體系中，硫電極表現(xiàn)出較高的容量和較低的極化。進一步研究發(fā)現(xiàn)，通過添加碘作為氧化還原媒介和提高反應溫度，硫電極的活性進一步提高，可逆容量和極化過程均顯著改善。作者通過非原位 XRD、Raman、TEM和XPS等分析測試，揭示了硫電極發(fā)生S?ZnS的可逆轉變，同時證實了碘作為氧化還原媒介的循環(huán)穩(wěn)定性。該電池材料體系能量密度達到502 Wh/kg，材料成本低廉（45 $/kWh）。相關設計策略和研究結果為發(fā)展高性能水系鋅基電池提供了新的思路和方法。該成果以“A Low Cost Aqueous Zn–S Battery Realizing Ultrahigh Energy Density ”為題在國際頂級期刊Advanced Science發(fā)表。
圖1 樣品的結構表征。不同硫碳復合材料的（a）TG和（b）XRD圖譜。（c）S@CNTs-50和CNTs的氮氣吸脫附曲線，（d）CNTs 的TEM照片，（e，f）S@CNTs-50 的TEM照片，和（g-h）S@CNTs-50的TEM mapping。
圖2 S@CNTs-50 電極的電化學性能。S@CNTs-50在（1）1 M Zn(CF3SO3)2，(2) 1 M ZnSO4，(3) 1 M Zn(CH3COO)2 和（d）1 M Zn(CH3COO)2+ I2鋅溶液中的充放電曲線。S@CNTs-50電極的（e）能量密度和（f）材料成本與報道的體系的比較。
圖3 S@CNTs-50電極的電化學性能。（a）不同電流密度下的倍率容量和（b）充放電曲線，（c）不同溫度下的充放電曲線，（d）短循環(huán)性能和（e）長循環(huán)性能。
圖4 S@CNTs-50電極的充放電產物的結構表征。（a）不同電位下XRD圖譜，（b）不同電位下Raman光譜，（c，d）放電下產物的TEM照片和晶面層間距，（e）放電產物的TEM mapping, 和（f-g）不同狀態(tài)下的XPS圖譜 。
Wei Li, Kangli Wang, Kai Jiang, A Low Cost Aqueous Zn–S Battery Realizing Ultrahigh Energy Density, Adv. Sci., 2020, DOI:10.1002/advs.202000761
